JP2003174353A

JP2003174353A - 水晶振動子

Info

Publication number: JP2003174353A
Application number: JP2001374687A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Mimura; 和弘三村
Original assignee: Tokyo Denpa Co Ltd
Current assignee: Tokyo Denpa Co Ltd
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】水晶振動子の性能を改善あるいは維持したう
えで更なる小型化を図ること。【解決手段】水晶片１の長手方向の縁部だけでなく、
水晶片の短手方向の縁部にも、その厚さを漸減するよう
な漸減部３を形成し、水晶片１の幅方向（短手方向）の
見かけ上の長さを長くすることで、水晶片１の長辺端部
における振動を無いものとする。これにより、水晶片１
の長辺端部において発生する振動エネルギーの損失を抑
制し、水晶振動子の直列抵抗値Ｒ１を小さくして水晶振
動子のさらなる小型化を図るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種電子機器のプ
リント基板に実装される水晶振動子に関わり、特に表面
実装型の水晶振動子に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化に伴い、使用さ
れる水晶振動子もリード端子型のものから表面実装型
（ＳＭＤ；Surface Mount Device）に変わり、更なる小
型化が要求されている。表面実装型水晶振動子の小型化
を効率よく行うには、一般的に、その多くは長方形（矩
形）の表面実装型水晶振動子とされる。

【０００３】従来の表面実装型水晶振動子（以下、単に
「水晶振動子」と表記する）は、通常、容器本体と蓋か
らなる長方形（矩形状）の気密容器の内部に水晶片を収
容して構成される。この場合、容器内に収容される水晶
片も矩形のものが用いられる。また、水晶片の表裏に
は、励振用電極が設けられており、この励振用電極が導
電性接着剤により容器内に設けられている引出電極に接
続するようにしている。

【０００４】上記のような水晶振動子の電気的等価回路
は図６のように示される。ここで、Ｃｏは並列容量、Ｌ
１は直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列
抵抗と称され、図示するように、水晶振動子Ｘｔａｌの
等価回路は、直列インダクタンスＬ１、直列容量Ｃ１、
直列抵抗Ｒ１の直列接続回路に対して並列に並列容量Ｃ
ｏを接続した回路によって示されることになる。水晶振
動子Ｘｔａｌを用いて水晶発振器を構成する際には、直
列抵抗Ｒ１の値が重要になる。

【０００５】以下、水晶振動子を用いて構成される水晶
発振器を構成した際の直列抵抗Ｒ１の重要性について説
明する。図７は水晶振動子Ｘｔａｌを用いて構成される
発振回路の構成を示した図である。また図８は図７に示
した発振回路の発振周波数近傍における等価回路を示し
た図である。図７に示す発振回路は同調回路を含まな
い、いわゆるコルピッツ形無調整水晶発振回路の構成が
示されている。なお、ここでは、発振回路の動作を説明
するのが主目的ではないので、発振回路の動作説明は省
略し、図８に示す等価回路を参照ながら水晶振動子の直
列抵抗Ｒ１の重要性について説明する。

【０００６】図８において、Ｌｅ及びＲｅ（≒Ｒ１）は
それぞれ水晶振動子Ｘｔａｌの実効インダクタンス及び
実効抵抗を表し、Ｃｉ及びＲｉは回路側の等価入力容量
及び等価入力抵抗を表している。ここで、等価入力抵抗
Ｒｉは、水晶振動子Ｘｔａｌから見て負性抵抗となり、
この負性抵抗Ｒｉが、水晶振動子Ｘｔａｌの実効抵抗Ｒ
ｅを打ち消すことになる。この結果、上記図７に示した
水晶発振回路は、水晶振動子Ｘｔａｌの実効インダクタ
ンスＬｅと、回路側の等価入力容量Ｃｉによって決定さ
れる以下の周波数ｆで発振する。

【数１】

【０００７】従って、図８の等価回路により示される水
晶発振回路は、Ｒｅ≦|Ｒｉ|、つまり、水晶振動子Ｘｔ
ａｌの実効抵抗Ｒｅが回路側の負性抵抗Ｒｉより小さい
か、もしくは等しい場合には発振を継続するが、Ｒｅ＞
|Ｒｉ|、つまり、水晶振動子Ｘｔａｌの実効抵抗Ｒｅが
回路側の負性抵抗Ｒｉより大きくなる場合は発振を停止
する、もしくは発振を開始しないことになる。即ち、水
晶振動子Ｘｔａｌの実効抵抗Ｒｅ（≒直列抵抗Ｒ１）の
大小は、水晶振動子の発振を開始させ、且つ、安定な発
振を持続させるうえで大変重要とされる。

【０００８】ここで、電気的に考えた水晶振動子Ｘｔａ
ｌの実効抵抗Ｒｅ（≒Ｒ１）は、電気的な損失を示すも
のであるが、機械的に考えると水晶振動子Ｘｔａｌの振
動エネルギー損失と考えることができる。従って、水晶
振動子は、この振動エネルギーの損失が小さければ、小
さいほど発振の余裕度が大きく安定した発振を持続する
ことになる。

【０００９】図９は、従来の水晶振動子における水晶片
と励振用電極との構造、及び水晶片の振動分布を示した
図である。この図９（ａ）は、水晶振動子の内部の上面
図である。また同図（ｂ）及び同図（ｃ）は、同図
（ａ）に示す各々矢示Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃから見た断面図
であり、同図（ｂ−１）及び（ｃ−１）は水晶片の対応
する方向の振動分布を示した図である。

【００１０】先ず、水晶片４２を単体として扱った場合
の振動について説明する。水晶振動子に用いる水晶片を
設計する際には、エネルギー閉じ込め理論に基づき、水
晶片４２の励振用電極４１の面積、厚さ、材質を選択す
ることにより、振動エネルギーの大部分を、励振用電極
４１の下部に集中させるようにする。このように構成し
て、励振用電極４１の端部から外側においては、振動エ
ネルギーを指数関数的に急激に減少させ、水晶片４２の
端部が振動しないように設計する必要がある。

【００１１】しかしながら、水晶振動子を小型化するに
は、水晶片４２の寸法を小さくする必要があるため、励
振用電極４１の端部から水晶片４２の端部までの距離も
必然的に短くなる。この場合、水晶片４２の振動エネル
ギーは、図９（ｂ−１），（ｃ−１）に実線４３で示す
ごとく、水晶片４２の端部に残る状態、即ち、水晶片４
２の端部が微小ではあるが振動している状態になってし
まう。

【００１２】ここまでは、水晶片４２を単体として扱っ
た場合の振動について述べたが、水晶片を用いて水晶振
動子を形成する場合は、水晶片４２の端部が、図９
（ａ）に示されているように導電性接着剤４５，４５で
容器本体（図示しない）に固定されるため、この固定に
より振動がクランプされることになる。この結果、水晶
片４２の振動エネルギーは、同図（ｂ−１），（ｃ−
１）に破線４４で示すように減少する。これはつまり、
水晶片４２では振動エネルギー損失が起こり、水晶振動
子の直列抵抗Ｒ１が増大することを意味している。

【００１３】なお、図９（ｂ−１），（ｃ−１）を比較
した時に、図９（ｃ−１）に示されているほうが振動エ
ネルギーの減少が少ないのは、励振用電極４１によるエ
ネルギー閉じ込め効果が、励振用電極の長さ方向（長手
方向）よりも幅方向（短手方向）のほうが大きいことに
よるものとされる。

【００１４】このように、水晶振動子を小型化する場合
は、水晶片４２の端部における振動を極小レベルまで抑
制しないと、水晶片４２の長手方向の端部における振動
エネルギーの損失によって水晶振動子の直列抵抗Ｒ１が
増大するという問題点があった。

【００１５】そこで、上記したような問題点を解決する
ために、水晶片端部に、その厚さを漸減するような加工
を施した水晶振動子が知られている。図１０は、そのよ
うな水晶振動子の水晶片と励振用電極との構造、及びそ
の振動分布を示した図である。図１０（ａ）は水晶振動
子の内部を上面から見た上面図である。また同図（ｂ）
及び同図（ｃ）は、同図（ａ）に示す各々矢示Ｂ−Ｂ及
びＣ−Ｃから見た断面図であり、同図（ｂ−１）及び
（ｃ−１）は対応する振動分布を示した図である。な
お、図９と同一部位に同一番号を付し説明を省略する。

【００１６】図１０（ａ）において、５２は矩形状の水
晶片４２の平面部を示し、５３は水晶片４２の厚みを漸
減した漸減部を示している。この図１０（ａ）に示す水
晶振動子においては、水晶片４２の長手方向の縁部（以
下、「短辺縁部」という）に、その厚さを漸減するよう
な加工を施した漸減部５３とすることで、水晶片４２が
長手方向に、あたかも図１０（ａ）に破線で示されてい
る部分５４だけ長くなったような効果を与えるようにし
ている。これにより、水晶片４２の短辺端部における振
動を極小にし、水晶片４２を導電性接着剤４５，４５で
固定した時の振動エネルギーの損失を抑えて、水晶振動
子の直列抵抗Ｒ１が増大しないようにしている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水晶振
動子の更なる小型化を図るために、水晶片４２の寸法を
より小さくした場合は、上記のように水晶片４２の短辺
端部に漸減加工を施して漸減部５３を設けたとしても、
水晶片４２において振動エネルギーの損失が発生し、直
列抵抗Ｒ１が増大していくという問題点があった。

【００１８】また、水晶片４２の寸法を小さくする他の
手段としては。、励振用電極４１の面積を小さくして、
励振用電極４１から水晶片４２の端部までの距離を長く
することが考えられるが、実際には励振用電極４１の面
積を、ある面積以下まで小さくすると、直列抵抗Ｒ１が
増大し、水晶振動子の性能を劣化させるため、励振用電
極４１の寸法の下限は制限されていた。

【００１９】このように、水晶振動子のさらなる小型化
を図るために水晶片４２の寸法を小さくするには、水晶
振動子の性能（特に直列抵抗Ｒ１の値）を悪化させるこ
となく、水晶片の端部と励振用電極の端部との距離をい
かに縮めるかが重要になる。

【００２０】そこで、本発明はこのような点を鑑みてな
されたものであり、水晶振動子の直列抵抗値を改善ある
いは維持したうえで、更なる小型化を図ることができる
水晶振動子を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、水晶片と、この水晶片を気密容器に収容
して、水晶片の表裏に設けられている励振用電極を、気
密容器内の引出電極に接続することで構成される水晶振
動子において、水晶片は、平面形状が四角形状とされる
と共に、四角形状の四辺の各々に対応する縁部の厚さが
漸減するように形成された漸減部を有する。

【００２２】本発明によれば、四辺の各々に対応する縁
部の厚さが漸減するように形成された漸減部を有する水
晶片によって水晶振動子を構成し、水晶片の長辺端部に
おいて発生する振動エネルギーの損失を抑えることで、
水晶振動子の直列抵抗を小さくすることが可能になる。
これにより水晶振動子のさらなる小型化が可能になる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態にか
かる表面実装型水晶振動子の概略構造を示した図であ
る。この図１（ａ）は、本実施の形態にかかる表面実装
型水晶振動子の上面図が示され、同図（ｂ）には、同図
（ａ）に示す一点破線部分を矢示Ａ−Ａ方向から見た断
面図が示されている。

【００２４】この図１（ａ），（ｂ）に示すように、本
実施の形態にかかる表面実装型水晶振動子（以下、単に
「水晶振動子」と表記する）は、容器本体１０と蓋１１
からなる長方形の気密容器の内部に水晶片１を収容して
構成される。この場合、容器本体１０の内部に収容され
る水晶片１は、例えば、その平面形状が矩形状のものが
用いられ、その水晶片１の表裏には励振用電極２，２
が、金、銀、あるいは、アルミニウム等の金属を真空蒸
着またはスパッタリングすることにより形成されてい
る。この励振用電極２，２は、導電性接着剤４，４によ
り容器本体１０内に設けられている引出電極１２，１２
に接続される。

【００２５】なお、本実施の形態では、水晶片１の平面
形状を矩形状として説明するが、これはあくまでも一例
であって、水晶片１の平面形状は矩形以外の形状、例え
ば正方形のものを用いることももちろん可能である。

【００２６】図２は、本実施の形態にかかる水晶振動子
における水晶片と励振用電極との構造、及び水晶片の振
動分布を示した図である。図２（ａ）は、水晶振動子の
内部の上面図である。また同図（ｂ）及び同図（ｃ）
は、同図（ａ）に示す各々矢示Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃから見
た水晶振動子の断面図であり、同図（ｂ−１）及び（ｃ
−１）は、水晶片の幅方向（短手方向）及び長さ方向
（長手方向）の振動分布を示している。

【００２７】なお、本実施の形態にかかる水晶振動子に
用いられる水晶片１は、いわゆるＡＴカットにより切り
出したものとされる。この場合の切り出し方位及び姿勢
は、図３に示されているように、ＸＺ面をＸ軸周りに＋
θ（約３５度１５分）回転させたＸＺ’面内で、長さ方
向をＸ軸に、幅方向をＺ’軸方向とされる。

【００２８】さて、このような本実施の形態にかかる水
晶振動子においては、図２（ａ）（ｃ）に示されている
ように、水晶片１の四辺の各々に対応する縁部の表裏を
曲率Ｒで変化させて、水晶片１の四辺に対応する縁部
に、その厚さが水晶片の端面部に向かって徐々に薄くな
るように漸減した漸減部３を形成するようにした。つま
り、従来のように、水晶片１の短辺縁部に加えて、水晶
片の長手方向よりもエネルギー閉じ込め効果が大きく、
その厚さを漸減するような加工が不要とされていた水晶
片１の短手方向の縁部（以下、「長辺縁部」という）に
も漸減部３を設けるようにした点に特徴がある。

【００２９】図２（ｂ−１）には、長辺縁部に漸減部３
が設けられていない水晶片の振動分布が破線７で示さ
れ、長辺縁部に漸減部３を設けた場合の振動分布が実線
８で示されている。また、図２（ｃ−１）には、水晶片
１の短辺縁部に漸減部３を設けない場合の振動分布が破
線５で示され、水晶片１の短辺縁部に漸減部３を設けた
場合の振動分布が実線６で示されている。これら図２
（ｂ−１）（ｃ−１）から分かるように、水晶片１の四
辺の各々に対応する縁部が漸減部３を有するように形成
した場合は、水晶片１の短手方向と長手方向の見かけ上
の長さが共に長くなるため、水晶片１の四辺端部で振動
が存在しないようにすることができる。従って、図２
（ａ）に示すように、水晶片１の端部を導電性接着剤
４，４により、上記図１に示した容器本体１０の引出電
極１２，１２に固定した場合でも、振動エネルギーの損
失が発生しないことが分かった。つまり、水晶振動子の
直列抵抗Ｒ１が増大しないことが分かった。

【００３０】これは、水晶片１の短手方向の端部（以
下、「長辺端部」という）は、水晶片１の長手方向の端
部（以下、「短辺端部」という）のように、接着剤等で
振動をクランプすることはないが、水晶片１の寸法を小
さくした時に、長辺端部に破線７で示すように振動が残
っていると、振動に対する境界条件の違いにより、水晶
片１の主たる振動モードである厚みすべり振動モードの
振動（波動）が、水晶片１の端面９，９で反射され、別
の振動モードに変換されてしまい、水晶片１の寸法を小
さくした場合には、水晶片１の長辺端部における厚みす
べり振動の振動エネルギーの損失が、水晶振動子の直列
抵抗Ｒ１を増大させていることによるものと考えられ
る。つまり、水晶片１の寸法をより小さくしていくと、
これまで問題が無いとされていた水晶片１の長辺端部に
おける振動エネルギーの損失が、水晶振動子の直列抵抗
Ｒ１を増大させていることによるものとされる。

【００３１】なお、本実施の形態において、水晶片１に
楕円状の漸減部３を形成する場合を例に挙げて説明する
が、これはあくまでも一例であり、漸減部３の形状は楕
円状に限定されるものではない。例えば矩形状の漸減部
３を形成してもよい。ただし、漸減部３の形成の仕方に
もよるが、水晶片１に矩形状３の漸減部を形成するより
も、水晶片１に楕円状の漸減部３を形成したほうが効率
よく作製することができる。

【００３２】また、漸減部３の曲率Ｒや水晶片１の端部
の厚みは、少なくとも水晶片１を用いて水晶振動子を形
成した時に、その直列抵抗Ｒ１の増大がないように設定
すればよいものである。また、水晶片１の縁部に形成す
る漸減部３の形状は、図２に示されているように曲率Ｒ
で外側に膨らんだ円弧状に限らず、曲率Ｒで外側に窪ん
だ円弧状、あるいは面取り状（直線状）のいずれの形状
でも良い。要は、水晶片１の端部に向かってその厚さが
薄くなるように漸減されていれば良いものである。

【００３３】以下、本実施の形態のように水晶振動子を
構成した時の性能結果を図４及び図５を用いて説明す
る。なお、本実施の形態では、水晶振動子の性能を評価
する指標として、水晶振動子の直列抵抗Ｒ１及びＱ値を
用いることとする。ここで、直列抵抗Ｒ１は、その値が
小さいほど水晶振動子の性能は良く、そのＱ値は下式に
て求められるもので、その値が大きいほど性能がよいも
のとされる。Ｑ＝１／(ω×Ｃ１×Ｒ１) ここで、ω＝２×π×ｆｆ：直列共振周波数

【００３４】図４には、上記図１０に示したように水晶
片１の短辺縁部のみに漸減部３を形成した従来の水晶振
動子の性能結果が示されている。また図５には、本実施
の形態のように、水晶片１の四辺縁部に漸減部３を形成
した場合の性能結果が示されている。

【００３５】なお、図４及び図５に示されている水晶振
動子の性能評価は、水晶片１の寸法がＬ＝２ｍｍ、Ｗ＝
１．４ｍｍ、ｔ＝０．１２８ｍｍ、その発振周波数が約
１３ＭＨｚのものを使用した。また、そのような水晶片
１を使用した水晶振動子の形状及び寸法は各種考えられ
るが、ここでは、その寸法が３．２ｍｍ×２．５ｍｍ×
０．７ｍｍのものを使用した。

【００３６】図４に示すように、従来の水晶振動子で
は、直列抵抗Ｒ１の値、及びＱ値の平均は、各々、２５
７．９９Ω及び２．２２×１０⁴となっているのに対し
て、図５に示す本実施の形態にかかる水晶振動子では、
直列抵抗Ｒ１の平均値は８２．８２Ω、Ｑ値の平均値は
８．４８×１０⁴となっており、従来の水晶振動子と比
較すると、直列抵抗Ｒ１に関しては約１／３、Ｑ値に関
しては約４倍と大幅な改善がなされたことが確認され
た。

【００３７】従って、本実施の形態のように水晶振動子
を形成すれば、水晶振動子に使用する水晶片１を小型化
した場合においても、その直列抵抗Ｒ１を大幅に小さく
することが可能になる。水晶振動子の直列抵抗Ｒ１は、
前述したように、発振回路の負性抵抗Ｒｉより小さいこ
とが要求されることから、この要求を満足したうえで、
水晶発振器の量産時における故障率を、所定レベル以下
に抑えるためには、通常、水晶振動子の回路側の負性抵
抗Ｒｉと水晶振動子の直列抵抗Ｒ１の比が５倍以上であ
ればよいとされる。

【００３８】例えばトランジスタ又はＬＳＩを使用して
発振回路を構成した場合、６００Ω程度以上の負性抵抗
を実現できるので、本実施の形態による水晶振動子を使
用すると、図５に示した性能結果から明らかなように、
水晶振動子の直列抵抗Ｒ１（９０．９９Ω）と発振回路
の負性抵抗（６００Ω）との比を５倍以上確保すること
ができる。これにより、本実施の形態にかかる水晶振動
子を発振回路に使用すると、基本的に安定した周波数発
信源として利用でき、量産時においても高い信頼性を維
持できる超小型水晶発振器を実現できるという効果があ
る。

【００３９】また、このように構成した超小型発振器を
使用すると、各種移動体通信機器、例えば携帯電話、Ｐ
ＤＡ（Personal Digital assistants）、ＧＰＳ（Globa
l Positioning System）装置、ワイヤレスＬＡＮ（Loca
l Area Network）モジュール等を非常に薄く、小型化で
きるという効果があり、このような超小型情報機器は、
これからの社会で広く使用されるのでその経済効果も期
待できる。

【００４０】なお、本実施の形態では表面実装型水晶振
動子を例に挙げて説明したが、リード端子型水晶振動子
に対しても本発明を適用することは可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の水晶振動
子は、四辺の各々に対応する縁部の厚さが漸減するよう
に形成された漸減部を有する水晶片によって水晶振動子
を構成し、水晶片の長辺端部において発生する振動エネ
ルギーの損失を抑えることで、水晶振動子の直列抵抗を
小さくすることが可能になる。これにより、水晶振動子
の直列抵抗を改善あるいは維持したうえで、水晶振動子
のさらなる小型化を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態としての表面実装型水晶振
動子の概略構造を説明するための図である。

【図２】本実施の形態にかかる水晶振動子における水晶
片と励振用電極の構造、及び振動分布を示した図であ
る。

【図３】本実施の形態にかかる水晶片の切り出し角度と
姿勢を示した図である。

【図４】従来の表面実装型水晶振動子の性能結果を示し
た図である。

【図５】本実施の形態にかかる表面実装型水晶振動子の
性能結果を示した図である。

【図６】水晶振動子の電気的等価回路を示した図であ
る。

【図７】水晶発振器の構成を示した図である。

【図８】図７に示した水晶発振器の簡易的な電気的等価
回路を示した図である。

【図９】従来の水晶振動子における水晶片と励振用電極
の構造、及び振動分布を示した図である。

【図１０】従来の水晶振動子における水晶片と励振用電
極の構造、及び振動分布を示した図である。

【符号の説明】

１水晶片、２励振用電極、３漸減部、４導電性
接着剤、９端面、１０容器本体、１１蓋、１２
引出電極、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水晶片と、該水晶片を気密容器に収容し
て、上記水晶片の表裏に設けられている励振用電極を、
上記気密容器内の引出電極に接続することで構成される
水晶振動子において、上記水晶片は、平面形状が四角形状とされると共に、上記四角形状の四辺の各々に対応する縁部の厚さが漸減
するように形成された漸減部を有することを特徴とする
水晶振動子。
【請求項２】上記水晶片の平面形状は、長方形又は正
方形とされることを特徴とする請求項１に記載の水晶振
動子。